Digitale Prototypen verbessern BZ und Elektrolyseure

Testsystem PVcomB, © HZB
© HZB

Die Entwicklung eines echten Prototyps ist zeitaufwendig und teuer. Mathematische Modelle ermöglichen es, die physikalischen und chemischen Vorgänge in einer Brennstoffzelle oder einem Elektrolyseur besser zu verstehen. Eine Simulation hilft, neue Ansätze und Designs im Lobar zu kreieren. 

Das Kompetenzzentrum Photovoltaik Berlin, kurz PVcomB, des Helmholtz-Zentrums untersucht integrierte Photovoltaik-Elektrolyseure für die direkte Umwandlung von Solarenergie in Wasserstoff. Mithilfe einer Software konnten die Wissenschaftler den Betrieb des Elektrolyseurs und auch die Wärmeübertragung im Gerät untersuchen. Also konkret von der PV zum Wärmetauscher, wo der Elektrolyt erhitzt wird, bevor er in den Elektrolyseur gelangt. „Mit der Software können Details des Betriebs verstanden werden, die mit experimentellen Methoden nicht beurteilt werden können“, erklärt Erno Kemppainen. Der Wissenschaftler leitet die Gruppe PV to Fuels Technology am PVcomB. Dabei gehe es darum, Beobachtungen zu erklären und auch Vorhersagen zu entwickeln. „Besonders detaillierte Modelle sind auch einfacher aufzubauen und zu modifizieren, als wenn ähnliche Modelle von Grund auf programmiert werden müssen. Fast wie Legosteine können die fertigen Elemente zusammengesetzt werden“, beschreibt Kemppainen. 

Business France

Aus Sicht der Modellierung ist das Verständnis der Auswirkungen von Elektrolytfluss, Ladungstransport, elektrochemischen Reaktionen und Wärmetransport aufeinander wesentlich, um den Elektrolyseurbetrieb zu verstehen. Diese vier Hauptfaktoren gilt es auch mit ihren Rückkopplungen zu berücksichtigen. Doch das ist anspruchsvoll: Im Allgemeinen seien die wichtigsten Faktoren die Katalysatoraktivität und -stabilität sowie die Korrosion jeder Zellkomponente, aber bei einer direkten Kopplung mit PV sei auch der variable Betrieb des Elektrolyseurs ein mögliches Problem, erklärt Kemppainen. „In Bezug auf die Katalysatoraktivität und die Kinetik der Elektrolyse-Halbreaktionen ist die Sauerstoffgas-Entwicklungsreaktion an der Anode des Elektrolyseurs deutlich langsamer und schwieriger als die H2-Entwicklungsreaktion an der Kathode und damit einer der Hauptengpässe des Elektrolyseurbetriebs“, verdeutlicht der Wissenschaftler. 

Phänomene gekoppelt analysieren 

Für die meisten Situationen seien ausreichend genaue Modelle verfügbar, sowohl für die isolierten Phänomene als auch gekoppelt mit anderen Phänomenen. Eine genaue Modulierung ist aber sehr komplex: Da Elektrolyseure flüssiges Wasser in H2 und Sauerstoffgas umwandeln, müsste ein genaues, vollständig gekoppeltes Berechnungsmodell letztlich alle Gasblasen im flüssigen Elektrolyten berücksichtigen. Die Blasen werden aber direkt oder indirekt von allen vier zuvor genannten Hauptfaktoren beeinflusst. Die Menge der Blasen im Elektrolyseur hängt wiederum vom Strom ab, der durch den Elektrolyseur fließt, und vom Elektrolytfluss selbst. Deshalb könne eine genaue Modellierung der Gasblasen nicht wirklich die Wechselwirkung mit einem der Hauptfaktoren vernachlässigen, erläutert Kemppainen. Das wiederum mache die Blasen zu dem vielleicht schwierigsten zu simulierenden Detail des Elektrolyseurbetriebs, beschreibt er. Zudem wirke sich auch die Betriebstemperatur auf alles aus: Die Elektrolysereaktion und die Widerstandsverluste erwärmen auch den Elektrolyseur, und die Blasen beeinflussen die Reaktionsgeschwindigkeit und die Wärmeleitfähigkeit des Elektrolyten. 

…Lesen Sie mehr in der aktuellen Ausgabe des HZwei

Autor: Niels Hendrik Petersen

HOC

Kommentar verfassen